Capteurs capacitifs et à courant de Foucault

Lorsque les modèles standard ne satisfont pas les exigences requises, les utilisateurs font souvent appel à des solutions sur mesure. Mais que faire lorsque les exigences vont au-delà des capacités physiques des capteurs ? La nouvelle technologie ECT de Micro-Epsilon pour les capteurs capacitifs et à courant de Foucault répond à cette problématique en repoussant considérablement les limites d’utilisation des capteurs.

Celui qui pense que les mesures de course classiques avec des procédés électromagnétiques ne jouent plus qu’un rôle de second plan en comparaissant de celui des capteurs optiques se trompe lourdement. De nombreuses applications montrent que les capteurs à courant de Foucault et les capteurs capacitifs restent indispensables dans de nombreuses utilisations. La nouvelle technologie ECT « Embedded Coil Technology » développée par Micro-Epsilon montre la diversité des capteurs grâce à de nouveaux procédés de fabrication et des domaines d’utilisations encore ignorés.

Repenser la technologie des bobines

Les capteurs à courant de Foucault classiques travaillent avec un noyau constitué par une bobine à air permettant de ne pas agir sur les courants électromagnétiques situés à l’entour et d’atteindre des valeurs limites plus élevées que celles permises par les capteurs à noyau ferromagnétique. Ils sont ceux que l’on choisit en premier lorsque l’on a besoin de mesures rapides et dynamiques. Les capteurs à courant de Foucault travaillent avec des fréquences porteuses de 100 kHz à 5 MHz. Ils représentent donc l’outil idéal permettant d’enregistrer des mouvements rapides à des fréquences limites dépassant les 100 kHz. Les nouveaux capteurs eddyNCDT ECT renoncent entièrement à une bobine enroulée de manière habituelle. Au lieu de quoi, une bobine bidimensionnelle sera incluse dans un matériau anorganique stable en forme et température. Ceci permet d’obtenir des tailles et géométries de capteurs entièrement nouvelles. Les nouveaux capteurs eddyNCDT ECT présentent toujours une forme très particulière car ils ont été construits pour un cas d’utilisation très précis. Ils sont toujours reconnaissables par la surface bleue de leur capteur dans laquelle se trouve la bobine.

Cette nouvelle technologie a certes un aspect très discret mais elle présente quelques avantages décisifs lors de son utilisation. En effet, les capteurs ECT ont un comportement thermique très stable grâce au matériau support anorganique et peuvent être utilisés à des températures allant jusqu'à 350°C. Ils ont déjà été utilisés avec succès et ont répondu à une demande de très grande précision pour des utilisations sous vide intense et sous des champs électromagnétiques importants. Il aurait été impensable de trouver une solution optimum à ces problèmes en utilisant des capteurs de construction classique.

Une des premières utilisations était d'ajuster les miroirs du plus grand télescope chinois à réflecteur LAMOST. 70 miroirs ont été ajustés ici l’un par rapport à l’autre et avec une précision du domaine inférieur au micron à l’aide de 600 capteurs eddyNCDT ECT. Une stabilité thermique est ici primordiale car elle est nécessaire lors de l’ouverture du toit de l’observatoire par ciel clair. Un autre exemple d’utilisation avec succès est celui de la lithographie des semi-conducteurs dans le domaine du nanomètre.

D’autres avantages significatifs en sont la haute stabilité mécanique, du fait que la bobine et les composants électroniques sont directement inclus dans le matériau porteur. On a par exemple développé un capteur destiné à la mesure d’entrefers sur les raffineurs de l’industrie du papier qui survit à long terme aux vibrations élevées durant le fonctionnement.

La géométrie des capteurs est également très souple. Il est possible d’adapter le capteur à la demande du client. Le capteur peut ici être coulé avec le module électronique ou fabriqué de manière séparée. Jusqu’à présent cette technologie a exclusivement été utilisée pour des projets spécifiques de nos clients. A l’avenir, ce procédé doit aussi être appliqué aux capteurs standard et leurs fournir les avantages technologies correspondants.

Une politique de développement continu des capteurs

Depuis 1980, Micro-Epsilon développe et fabrique ses propres capteurs à courant de Foucault. Depuis cette date, la technique s’est développée pour s’adapter aux nouvelles exigences, et Micro-Epsilon reste leader dans le domaine de la miniaturisation des capteurs avec un diamètre de 2,4 mm. Les efforts faits dans le domaine du développement ont poussé les capteurs traditionnels dans les limites de leurs possibilités physiques. C’est pour cette raison qu’il a fallu trouver une nouvelle technologie permettant aux capteurs de répondre de manière prédestinée à de nouvelles applications. Les recherches et le développement des dernières années ont conduit à la bobine imprimée coulée dans un matériau support anorganique. Ce n’est qu’à l’heure actuelle que les développements liés aux matériaux ont permis d’aplanir la voie menant au procédé ECT. Les exigences sur les matériaux demandent qu'il ne soit pas de nature métallique ni qu'il dégaze; un coefficient de dilatation thermique est également une condition nécessaire.

Stabilité thermique jusqu’à 350 °C

Jusqu’à présent, des applications à une température de 350 °C étaient également possibles avec des capteurs traditionnels mais sont maintenant mieux contrôlables grâce à ce matériau particulier. La construction polycouchée pouvant même recevoir des composants électroniques permet d'apporter des solutions avec des modules électroniques séparés ou intégrés. On fait appel à l'encapsulage hermétique pour des applications sous vide. Il est possible de combiner différents atouts de l'ECT pour répondre aux demandes du client. On demande très souvent des solutions présentant des modules électroniques intégrés lorsque l’on renonce à des modules électroniques placés en aval.

Dynamique de groupe

Cette nouvelle technologie a été rendue possible par le fait de Micro-Epsilon dispose de compétences diverses sur des sites différents mais qui travaillent tous en synergie à l’intérieur du groupe. C’est ainsi que la filiale Micro-Hybrid implantée à Hermsdorf, a joué un rôle important dans le développement de l’ECT. C’est ici que sont développés les composants de microélectroniques destinés au groupe Micro-Epsilon. Micro-Hybrid est spécialiste de «  Electronic Manufacturing Services » et de microcapteurs.

Inclusion et puissance

Ces caractéristiques valent également pour les capteurs capacitifs avec ECT permettant de par leur forme et leur stabilité de nouvelles utilisations. Comme on le demande par exemple dans le positionnement au nanomètre près pour les microscopes électroniques à balayage. Les capteurs capaNCDT CSH mesurent le déplacement d’un échantillon à une température ambiante de -269°C. Pour ce faire, une topographie de la surface est générée au nanomètre près. Deux capteurs de la série capaNCDT CSH-FL détectent le positionnement de l’échantillon dans le sens x et y. A cet effet, l'échantillon est refroidi à 4 °K à l’aide d’hélium liquide. Que ce soit à température ambiante, dans des champs électromagnétiques forts, sous ultra-vide ou encore à proximité du point zéro absolu, ces capteurs sont en mesure d’atteindre une résolution de l’ordre nanométrique. Ce sont les matériaux spéciaux dans lesquels sont réalisés les capteurs capacitifs qui permettent de maîtriser ces conditions d’utilisation extrêmes.

A la différence des capteurs à courant de Foucault, les capteurs capacitifs demandent une plage de mesure nette, sont plus lents et plus onéreux du fait de leur connectique compliquée. Mais ils permettent d’atteindre une précision inégalée jusqu’à aujourd’hui. On arrive à obtenir des résolutions allant jusqu’à 0,037 nm. Les nouveaux capteurs de course capaNCDT-CSH sont également inclus dans le matériau ECT et présentent donc une grande stabilité thermique, une construction compacte de 4 mm de hauteur permettant leur utilisation dans l’industrie des semi-conducteurs telle que par exemple pour les objectifs de systèmes de lithographie. On peut à l’heure actuelle offrir des plages de mesure allant de 0,2 à 1,2 mm. On utilise ici aussi le nouveau procédé ECT.